CN1118199A - 具有混合驱动的微型机械继电器 - Google Patents

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Abstract

微型机械继电器有一个由衔铁基体(52)腐蚀出来的舌簧状衔铁(53)，此衔铁(53)与衔铁基体弹性连接，它与一个在它下面的基座(51)的基座电极(58)构成了一种静电驱动。此外，在衔铁(53)上设有压电层(60)，它起弯曲变换器的作用，并构成一种附加的驱动。当在衔铁(53)的电极、基座(51)的电极和压电层(60)的电极上施加一个电压时，衔铁被吸在此基座上，并因而在至少一个触头(55、56)闭合的情况下，衔铁大面积地贴靠在此基座上。此时，静电驱动和压电驱动的不同特性线叠加在一起，所以，既能在衔铁运动开始时产生一个大的吸引力，又能在衔铁吸住后产生一个大的接触力。

Description

具有混合驱动的微型机械继电器
本发明涉及一种微型机械继电器，它有一个基座，基座上有一个扁平的基座电极和至少一个固定的静触头，有至少一个舌簧状的衔铁，它的一端与基体弹性连接，衔铁上有一个处于基座电极相对位置的衔铁电极以及有一个与静触头处于相对位置的衔铁触头，对于这种继电器，当在衔铁电极与基座电极之间施加一个电压时，衔铁被吸引在基座上。
由Minoru Sakata的论文：“An Electrostatic Microactuatorfor Electro-Mechanical Relay”(IEEE Micro ElectroMechanical Systems，1989年2月，149至151页)已知一种具有静电驱动的微型机械继电器。在那里，一个由硅的基座腐蚀而成的衔铁通过两个扭转片支承在中心线上，使它的两翼的每一个与一个在下面的基座电极相对。为了静电激励继电器，总是要在衔铁电极和两个基座电极中的一个之间施加电压，所以，衔铁可有选择地向这一侧或向另一侧进行回转运动。由于扭转支承装置与基座之间有距离，所以即使作回转运动也仍会在电极之间保留某个楔形的空隙，因此保持的静电吸引力比较小。这同样会使接触力比较小。
在DE 3207920 C2中已经介绍了一种制造静电继电器的方法。在那里，衔铁由晶体半导体材料的框板腐蚀而成；衔铁通过框板放在绝缘的底座上，后者也设有对应电极。当然，在衔铁和对应电极之间存在一个比较大的距离，即使在衔铁被吸时仍保持这一距离。为了在衔铁和对应电极之间有此距离时能产生所希望的接触力，在这种已知的继电器中要求比较高的电压。
总之，静电驱动继电器的缺点是，在衔铁开始运动时，亦即电极之间有较大距离时，吸引力比较小，所以只能延迟吸合或要求高的吸动电压。因此本发明的目的是，进一步改进本文开始所述类型的微型机械继电器，改善其吸动特性，也就是说，保留静电驱动的优点—在衔铁被吸住时有较大的接触力，但与此同时还提高了开始动作的力。
按本发明为达到上述目的，在衔铁上至少局部设有一个起弯曲变换器作用的压电层，在激励时它的弯曲力支持了基座电极与衔铁电极之间的静电吸引力。
在按本发明的继电器中，除静电驱动外，衔铁还具有压电驱动。在如此构成的这种混合驱动中，两个驱动系统的特性有利地组合在一起，使一种驱动系统的优点补偿了另一种驱动系统的缺点：压电驱动可使衔铁移动一个较大的距离或走过一个较长的闭合行程，但是在有较大的衔铁偏转时，亦即在工作位置下，只能产生较小的力。另一方面，静电驱动虽然能在工作位置下，亦即衔铁被吸时，产生较大的接触力，然而在衔铁运动的一开始，亦即在有较大的电极间距时，静电吸引力很小。
在按本发明的继电器中，形式上为一个带有衔铁电极和压电层的舌簧的衔铁，在一侧与一个衔铁基体连接在一起并可以摆动。对于这种继电器，通过衔铁和基座之间或多或少存在的楔形空隙，从一开始就产生一个较大的静电吸引力，通过叠加上压电的力则进一步改善了这个力。此时，基座电极设在基座的一个腐蚀而成的斜段上，从而使衔铁电极与基座电极在静止状态下构成前面曾提到的楔形空隙，而在激励状态下使衔铁电极近似平行地贴靠在此基座电极上。这样一来，由于在衔铁被吸后在电极之间除了必要的薄薄的绝缘层外不再留下任何空隙，因此可以获得较大的接触力。
下面借助附图表示的实施例详细说明本发明。其中：
图1具有单侧支承的舌簧状衔铁的混合式继电器；
图2图1所示继电器在衔铁基体和基座中各层的剖切放大
示图，图中未按尺寸比例；
图3混合式继电器的控制线路示意图；以及
图4混合式继电器力的曲线简图。
图1中示意表示了一种微型机械混合式继电器，为了能看得更清楚，图中的构件未按实际的尺寸比例。继电器中有一个基座51，它例如可用硅制成，但最好用硼硅玻璃制成。在此基座51上设置并固定着一个衔铁基体52，它最好用硅制成。在衔铁基体52中有一个设计为直接腐蚀的表面区的舌簧状衔铁53。基座51和衔铁基体52通过直接腐蚀区在它们的边缘连接起来，使衔铁53处于一个封闭的触头盒54内。
在衔铁53的自由端有一个衔铁触头55，它与基座上的一个固定的静触头56共同工作。此外，在衔铁面对基座的它的表面区，设有形式上为金属层的衔铁电极57，与之相对的是基座的电极58。这两个电极57和58构成继电器的一个静电驱动装置。基座电极58设在基座的一个倾斜段59上，所以，在衔铁被吸引的状态下，衔铁电极57如图1所示完全平行地贴靠在基座电极58上。
除此之外，衔铁53上还有一个压电驱动装置，它在形式上是一个压电层60，并如弯曲变换器那样进行工作，以及，主要是在衔铁运动的开始能在衔铁上产生必要的吸引力。
尽管在图1中只是用标号64作了粗略的表示，实际上必须设置一些电引线，它们通往触头55和56以及电极57和59，并通往图中没有进一步表示的压电变换器60的电极。这些导线可用传统的分层技术铺设，当然此时每个焊接区可以并列地在一个平面内。故通往动触头55的导线可与电极57处于一个平面内，并在此平面内通过适当的间隙与之分开。衔铁53的舌端还可以用纵向槽分割成例如3个可相对运动的端头。以此方式，使设有触头55的那个舌端可弹性弯曲以提高接触力，而其上带有电极层的两侧的舌端则可以平贴在基座电极58上。在这里只是为了说明的完整性还应提及，电势不同的层间绝缘采用适当的绝缘层来保证，在图中没有专门表示这些分层。
图2以略为放大的视图再次表示了构成此继电器的两个部分在组装之前的情况，以便更清楚地表示这些分层。应该强调指出，在此示意图中几何尺寸的关系与各层实际的长度和厚度的比例不一致，在制造时，构成衔铁53的舌簧由衔铁基体52通过有选择地腐蚀掏空而成。此舌簧因而是由与基体本身相同的材料硅制成的，但是通过加入添加剂而成为耐腐蚀的。在它上面生成一个SiO2层作为绝缘层，并在此绝缘层上再敷设一个金属层，例如为铝构成的，它一方面成为衔铁电极57，但另一方面又形成为触头55的引线和在此之后要铺设的压电层60的内电极61。一般来说，金属表面或引线必须互相绝缘，这一点可通过相应地纵向隔开加以实现。在压电层60之后，同样铺设金属层作为它的外电极62。在舌簧或衔铁53的自由端上通过电镀加上触头55。此外，舌簧的前端可通过两个切槽分成一个开关弹簧和两个位于侧边的静电衔铁元件。
基座同样通过腐蚀用硅或硼硅玻璃制的基座51制成。在第一个腐蚀步骤中，各向异性或各向同性地制出一个凹槽54a，槽底平行于基座表面。接着，在第二个腐蚀步骤中，通过一种传统的技术在槽底腐蚀出一个楔形凹口，以便形成斜段59，它相对于基座的表面倾斜一个锐角。此斜度在图中作了夸大的表示。在一个实际例子中，这一角度的数量级约3°。然后在腐蚀后的表面形状上生成一个金属层，以构成基座电极58和所需要的引线。触头56电镀制成。此外，按传统的方法敷设绝缘层63，例如是SiO2绝缘层。在一种可能的改型中，压电层60也可以沿着舌簧的全长延伸。在这种情况下，它在电极57和58之间起绝缘层的作用，所以不再用另外的绝缘层63。
这两个基体51和52用已知的方法例如通过阳极的底组合在一起。此时还应设有通往金属层的相应导线，在图中无需对它们作详细的表示。
图3表示了按图1的混合驱动的简单线路图。其中，基座电极11与衔铁电极23平行，它们平板状地彼此对置着，当由电源40施加一个电压时成为一个静电驱动装置。与此静电驱动平行地安放着一个压电变换器41，它有自己的电极42和43，其中，电极43可由与电极23相同的那一层构成。通过开关44，具有电极11和23的静电驱动，以及具有电极42和43的压电驱动，可以并联在电源40上。在这种情况下，两个驱动装置同时动作，并将它们的力叠加起来，去闭合有关的触头。
图4中示意表示了两个驱动装置的特性曲线。横座标表示衔铁间距S，纵座标是力F。在静止状态下，当衔铁间距为a值时，用f1表示的静电力比较小；随着衔铁逐渐接近基座电极，力f1增加，当间距S趋于0时它达到一个高值。用f2表示的压力的吸引力在衔铁运动开始时为最大，也就是在大的衔铁间距时最大。随着此弯曲变换器朝着基座电极方向的逐渐偏转，力f2变小。因此，压电的力f2在衔铁间距较大为a时补偿了f1较小的值，而在衔铁闭合后，静电的力f1又补偿了压电力f2的较小的值。于是形成了一条力f3的综合变化曲线，力f3在整个行程过程中克服弹性支承的反作用力f4，并在衔铁闭合时可产生较大的接触力。

Claims (3)

1.微型机械的继电器，它有一个基座(51)，基座(51)上有一个扁平的基座电极(58)和至少一个固定的静触头(56)，有至少一个舌簧状的衔铁(53)，它的一端与基体(52)弹性连接，衔铁(53)上有一个处于基座电极(58)相对位置的衔铁电极(57)以及与静触头(56)处于相对位置的衔铁触头(55)，对于这种继电器，当在衔铁电极(23、57)与基座电极(11、58)之间施加一个电压时，衔铁被吸引在基座上，其特征为：衔铁(53)上至少局部地设有一个起弯曲变换器作用的压电层(60)，在激励时它的弯曲力支持了基座电极与衔铁电极之间的静电吸引力。
2.按照权利要求1所述之继电器，其特征为：基座电极(58)设在基座(51)的腐蚀而成的斜段上，因此，在静止状态下，衔铁电极(57)与基座电极(58)构成了一个楔形的空隙，而在激励状态下，近似平行地贴靠在此基座电极(58)上。
3.按照权利要求1或2所述之继电器，其特征为：衔铁(53)由一个用半导体材料尤其是硅制成的衔铁基体(52)的三侧掏空、下部腐蚀后的表层构成，而此由硅或硼硅玻璃制的基座(51)与衔铁基体(52)的表面连接在一起。
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